Transcript az ultrahang alkalmazásai

MECHANIKAI HULLÁMOK
http://www.youtube.com/watch?v=fKICniw0DPM
http://www.youtube.com/watch?v=2uk6GpgtFjQ
http://www.youtube.com/watch?v=7nS_aR8XX_U
http://phet.colorado.edu/hu/simulations/category/physics/sound-and-waves
http://www.falstad.com/barwaves/
Készítette: Porkoláb Tamás
http://www.youtube.com/watch?v=inA-36YRV0Y
HULLÁMOK KIALAKULÁSA
Hullámforrás: egy rezgő test.
Ha ez a rezgés megszűnik,
vele együtt a hullám is.
Hullám: a rezgési állapot tovaterjedése a térben.
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK TERJEDÉSE
Hullám terjedése: a közeg részecskéinek csatolt rezgése által.
Minél szorosabb a csatolás, annál gyorsabban terjed a hullám.
A közeg részecskéi rezgő mozgást végeznek egy nyugvó
egyensúlyi pont körül.
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK JELLEMZŐI
Hullámfront: a közegben azonos fázisban rezgő pontjait
összekötő görbe
Frekvencia (f) : megmutatja, hogy a közeg részecskéi hány
teljes rezgést tesznek meg 1 s alatt
Periódusidő (T) : megmutatja, hogy a közeg részecskéi hány s
alatt tesznek meg egy teljes rezgést
Amplitúdó (A) : megmutatja, hogy a közeg részecskéinek
mekkora a maximális kitérése
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK JELLEMZŐI
Hullámhossz (λ) : két szomszédos, azonos fázisú hely távolsága a
terjedési irány mentén
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK JELLEMZŐI
Terjedési sebesség (c) : a rezgési állapot terjedésének sebessége,
másképpen a hullámfront sebessége. Az előzők alapján T idő
alatt λ utat tesz meg, így :
c
Készítette: Porkoláb Tamás

T
 f
HULLÁMOK TÍPUSAI
http://www.mta.ca/faculty/science/physics/suren/Lwave/Lwave01.html
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK KÉT KÖZEG HATÁRÁN
Egy hullám két közeg határára érkezve részben visszaverődik,
részben pedig megtörik.
A hullámok sebessége függ a közegtől.
Hullámtanilag sűrűbb: amelyben a hullámok
lassabban terjednek.
Hullámtanilag ritkább: amelyben a hullámok
gyorsabban terjednek.
A hullámok rezgésszáma független a közegtől.
HULLÁMOK VISSZAVERŐDÉSE
(REFLEXIÓ)
Rögzített végről :
http://www.youtube.com/watch?v=LTWHxZ6Jvjs
Szabad végről :
http://www.youtube.com/watch?v=aVCqq5AkePI
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK VISSZAVERŐDÉSE
(REFLEXIÓ)
A visszaverődés törvénye:
Térbeli hullámok esetén a
beeső sugár, a beesési
merőleges és a visszavert
sugár egy síkban van.
A
beesési szög és a
visszaverődési
szög
egyenlő nagyságú.
http://www.youtube.com/watch?v=r0088hYFuws&feature=related
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK TÖRÉSE (REFRAKCIÓ)
sin  c1

sin  c2
Készítette: Porkoláb Tamás
TSUNAMI
A tsunami hullámainak amplitúdója a nyílt tengeren
néhány dm, hullámhosszuk pedig 2-300 km. A hullámok
periódusideje 5 perctől 1 óráig terjedhet.
Mekkora a terjedési sebessége?
A legmagasabb bizonyított
szökőár meghaladta az 500
méteres magasságot egy
alaszkai fjordban
http://www.youtube.com/watch?v=TRDpTEjumdo
http://www.youtube.com/watch?v=5-zfCBCq-8I
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK INTERFERENCIÁJA
http://phet.colorado.edu/hu/sim
ulation/wave-interference
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK INTERFERENCIÁJA
• két különböző forrásból származó hullám esetén jön létre
• csak azonos frekvenciájú hullámok esetén jön létre interferencia
• erősítés feltétele: azonos fázisban találkozzanak
• gyengítés feltétele: ellentétes fázisban találkozzanak
Készítette: Porkoláb Tamás
ÁLLÓHULLÁMOK
http://www.walter-fendt.de/ph14hu/stwaverefl_hu.htm
Az állóhullámok a közeg két határa közt jönnek létre. Az
eredetileg keltett hullám interferál a közeg határáról
visszaverődött hullámmal. Csak akkor jön létre az állóhullám,
ha a hullámhossz megfelel bizonyos feltételeknek.
Készítette: Porkoláb Tamás
ÁLLÓHULLÁMOK
http://www.youtube.com/watch?v=rf3rfTMvyHQ&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=s9GBf8y0lY0
http://www.youtube.com/watch?v=YedgubRZva8
http://www.youtube.com/watch?v=Bxnb6PnWENE&feature=PlayList&p=1F9B1E6
C46541CD9&index=34
http://www.youtube.com/watch?v=Qf0t4qIVWF4
Készítette: Porkoláb Tamás
ÁLLÓHULLÁMOK
Rögzített végnél mindig csomópont van.
Szabad végnél mindig duzzadóhely van.
Lehetséges hullámhosszok:
-rögzített-rögzített vég:
-rögzített-szabad vég:
-szabad-szabad vég:
Készítette: Porkoláb Tamás
l k
l k

2

2
l  (2k  1) 

4
ÁLLÓHULLÁMOK
Húros hangszerek: mindkét végén rögzített húrokon alakul
ki állóhullám. A hangszer teste is rezgésbe jön, és felerősíti a
rezgő húr hangját.
Fúvós hangszerek: az állóhullámok a hangszerben lévő
levegőoszlopban alakulnak ki. E levegőoszlop hosszának
változtatásával képezhetők a különböző magasságú hangok.
A hangszer teste erősíti fel a hangokat.
A hangszínt a kialakuló felharmónikusok határozzák meg.
HULLÁMOK ELHAJLÁSA (DIFFRAKCIÓ)
http://www.youtube.com/watch?v=p6A0bzlm0YA&feature=PlayList&p=1DAE4EE72FD76EF0&playnext=1&playnext_from=PL&index=5
http://www.youtube.com/watch?v=4EDr2YY9lyA&feature=related
Készítette: Porkoláb Tamás
HULLÁMOK POLARIZÁCIÓJA
• csak transzverzális hullámok
polarizálhatók
• ha a rezgés egyetlen síkban
zajlik le, akkor síkban
poláros hullámról beszélünk.
Készítette: Porkoláb Tamás
A DOPPLER-EFFEKTUS
http://www.walter-fendt.de/ph14hu/dopplereff_hu.htm
http://www.youtube.com/watch?v=-Zu5SGllmwc
http://www.colorado.edu/physics/2000/applets/doppler2.html
http://www.walter-fendt.de/ph14d/doppler.htm
http://www.youtube.com/watch?v=1nwnVNSROl0
http://www.youtube.com/watch?v=a3RfULw7aAY&feature=PlayList&p=1DAE4EE72FD76EF0&index=11
http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/meca/doppler.html
Készítette: Porkoláb Tamás
A DOPPLER-EFFEKTUS
Egy megfigyelő által észlelt hullám frekvenciája megváltozik,
ha a megfigyelő és a hullám forrása mozognak egymáshoz
képest.
Ha közelednek, nagyobb frekvencián, ha távolodnak,
alacsonyabb frekvencián érzékeli a hullámot.
Pl: vízen motorcsónakkal haladva a hullámok előtte sűrűbbek,
mögötte ritkábbak
Alkalmazása:
Kardiológiában az erekben áramló vérről visszaverődő
ultrahang Doppler-effektust szenved el, ez alapján
következtetnek az erek állapotára.
A HANG
Az emberi kommunikáció egyik
legfontosabb eleme.
Nélküle nem érthetünk
meg bonyolult, elvont
fogalmakat.
A közlendőnk részletes,
kifinomult kifejezésében
nélkülözhetetlen szerepet
játszik.
A HANG
A zene életünk meghatározó része. Olyan tartalmakat tud
közvetíteni elvont formában, amelyek nem jeleníthetők meg
képekben, és betűkkel sem.
Nagyon fontos kifejezőeszköze egy művész, egy előadó
gondolatainak.
A HANG FONTOSABB TULAJDONSÁGAI
•longitudinális hullám
•a levegőben ez nyomásingadozásokat
jelent
•minden anyagi közegben
tovaterjed
•sebessége levegőben 15oCm
on kb. 340
s
HANGMAGASSÁG
http://onlinetonegenerator.com/
https://www.youtube.com/watch?v=4G60hM1W_mk
•a hang magasságát a rezgésszáma határozza meg
•az emberi fül számára hallható hangok a 20 Hz-16000 Hz
frekvenciájú tartományba esnek
•a 20 Hz-nél kisebb rezgésszámú hangok az infrahangok: a
bálnák infrahangok segítségével „beszélgetnek” több száz km
távolságból
•a 20000 Hz-nél nagyobb frekvenciájúak pedig az ultrahangok:
a kutya, a macska, a csimpánz és a denevér az ultrahangokat is
érzékelik
HANGMAGASSÁG
http://onlinetonegenerator.com/
•a közönséges emberi hang frekvenciája 200-300 Hz
•a normál a hang rezgésszáma 440 Hz
•az emberi fül legérzékenyebb a 3000 Hz frekvenciájú hangra
•az életkorral csökken az emberi fül érzékenysége
•Mekkora a hullámhossza a normál a hangnak levegőben?
HANGERŐSSÉG
•a
hang
erőségét
mértékegysége a dB
http://onlinetonegenerator.com/
az
amplitúdó
határozza
meg,
•az emberi fül testünk nyomásra legérzékenyebb szerve: a normál
légnyomás 10 milliárdod részényi nyomásváltozást is érzékelni
tud
•A 90 dB-es tartós zajszint halláskárosodással jár. Amennyiben a
hangerő meghaladja a „fájdalomküszöb” értékét (120 dB), már
egyszeri zajártalom is dobhártyarepedéssel és visszafordíthatatlan
halláskárosodással járhat. A diszkózene néha eléri a 130 dB-es
értéket is.
A HANG VISSZAVERŐDÉSE
Az emberi fül a 0,1 s-nál sűrűbben érkező hangeffektusokat
nem tudja megkülönböztetni. Így ahhoz, hogy visszhangot
halljunk, az eredeti és a visszhang észlelése közt legalább 0,1 snak kell eltelnie.
Milyen messze állhatunk legfeljebb egy faltól, hogyha egyet
tapsolunk, akkor az onnan visszaverődő hangot meg tudjuk
különböztetni az eredetitől?
A HANG VISSZAVERŐDÉSE
A hang visszaverődését használják fel a geológusok is a
talajrétegek vizsgálatára. Földbe fúrt lyukakban végzett
robbantások hangjának a visszaverődéséből vonnak le
következtetéseket.
A hangverseny- vagy előadótermekben kifejezetten zavaró, ha a
hang még sokáig zeng. Ezért olyan anyagokkal borítják a
falakat, amelyek elnyelik a hangot.
HANGROBBANÁS (sonic boom)
http://www.youtube.com/watch?v=-d9A2oq1N38&feature=PlayList&p=90C72741F4C65811&index=9&playnext=4&playnext_from=PL
http://indavideo.hu/video/Hangrobbanas_4
http://gini.hu/ginibejegyzesek/hangsebesseges-az-ostor
http://sulifizika.elte.hu/html/sub_hangrobbanas.html
Készítette: Porkoláb Tamás
HANGROBBANÁS (sonic boom)
Készítette: Porkoláb Tamás
AZ ULTRAHANG
A 20000 Hz-nél nagyobb frekvenciájú hangok előállítására
elsősorban piezzo-elektromos kristályokat (pl. kvarc)
használnak, illetve a magnetostrikció jelenségét alkalmazzák.
Az ilyen nagy rezgésszámú hullámokban a közeg részecskéi
óriási sebességekre tesznek szert. Ha pl. maz amplitudó 2 cm és a
frekvencia 20 kHz, akkor ez kb. 2500 .s
Így az ultrahangok energiája is jóval nagyobb a közönséges
hanghullámoknál. Egy ágyúdörgés hangteljesítménye pl. 0,001
W, egy közönséges ultrahangé pedig 10 W könnyedén lehet.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
http://www.youtube.com/watch?v=UjxG6faTiks
A várandós kismamák hasában
ultrahanggal vizsgálják magzatot. A
3D-s és 4D-s ultrahang 3 illetve 4
forrás és detektor segítségével készül.
Az
ultrahangos
párásító
membránja nagy sebességre gyorsítja
fel a vízmolekulákat, amelyek
kiszakadnak a vízből.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Fontos eszköz pl. a hajózásban a
vízmélység megállapítására. Itt a
visszavert hullám sebességéből és az
eltelt időből számítják ki az utat.
A vakok számára olyan szemüveget
készítettek, amely ultrahangokat bocsát
ki és a tárgyakról visszavert
hullámokat is érzékeli. A tárgyak
távolságának függvényében mélyebb
vagy magasabb hangon jelez a hallható
hangok tartományában.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
A denevérek is hasonlóképpen tájékozódnak, csak
ők nem alakítják át az
ultrahangokat hallható hullámokká.
Anyagok (pl. fém, beton)
vizsgálatára is alkalmas az
ultrahang,
hiszen
az
anyagban lévő üregekről,
hibákról visszaverődik és ezt
detektorokkal
érzékelni
lehet.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Folyadékok
gáztalanítására
is
felhasználható.
ugyanis
nagy
frekvenciája miatt a folyadékrészecskék
óriási gyorsulásra tesznek szert és így
szétszakadva, köztük üregek jönnek
létre. A gázok beáramlanak ezekbe,
egyre nagyobb buborékká nőve, majd
felszállnak a felszínre.
Folyadékok egyenletes elkeverésére
is használatos, mert hatására azok
finom eloszlású emulziót képeznek és
sokkal jobban keverednek egymással.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Gázok tisztítására és repülőterek ködmentesítésére is
alkalmas, mert hatására a levegő apró szemcséi nagyobb
halmazokká állnak össze és kicsapódnak. Ugyanezen elven
teszik láthatóvá nagyobb hajók esetén a hajó előtti pár száz
méteres részt ködös időben.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Az alumínium forrasztásakor is ultrahangokat használnak,
mert hatásukra a keletkező oxidréteg ill. egyéb szennyeződés
leválik.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Varrni is lehet ultrahanggal tű helyett, ugyanis hatására
az anyagok úgy összegubancolódnak, hogy ez a cérnánál is
erősebb kötést jelent. Ugyanígy helyettesíthető a papírragasztó
ultrahanggal, vagy a hegesztőpáka fémek esetén.
Az ultrahangos hegesztők, 20 kHz és 35 kHz üzemi
frekvenciával dolgoznak.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Biológiai hatásai közé tartozik
pl., hogy mikroorganizmusokat
képes elpusztítani.
Így felhasználják élelmiszerek,
háztartási eszközök sterilizálására
is.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
A gyógyászatban reumatikus betegségek kezelésére is
használják. Ezenkívül testünk belső részeinek feltérképezésére.
Az ultrahangok által előállított hő mélyen belehatol a
szövetbe, hogy meglazítsa a bőrt és az izmokat, egyidejűleg a
finom masszázs javítja a vér és a nyirok keringését, a
metabolizmust és a cellák regenerálódását.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Az ultrahangkezelést testen kiválóan alkalmas a narancsbőr
enyhébb, ill. súlyosabb tüneteinek kezelésére, a bőr alatt
lerakódott zsírpárnák csökkentésére, hegek, ill. a szülés utáni
nyúlási csíkok, un. striák halványítására.
AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI
Japánban igen sok háztartásban van aranyhal. A
földrengéseket ugyanis infrahangok kibocsátása előzi meg,
amelyeket az aranyhalak jól érzékelnek és hatásukra
menekülni kezdenek. Ezt a lakók észreveszik és még idejében
elmenekülhetnek.